1.本技术涉及建筑物和构筑物的地震隔震技术的领域，尤其是涉及一种新型地震隔震结构。


背景技术：

2.地震是人类社会无法避免的一种自然现象，地震造成的人员伤亡和经济损失90%甚至更多源于建筑物倒塌所致。因此世界各国都在致力于做好工程抗震减灾工作，致力于提高建设工程的抗震设防水平，提高建设工程的抗震能力。
3.在过去的几年中，周期性结构在地震隔震中的应用得到广泛研究。实验和理论均表明，精细设计的周期性结构能够有效地用于地震隔震。现有的周期性隔震结构技术通常考虑的是在xy平面内（在平行于地面的平面）衰减某一频段的地震波，从而阻止该频段的地震波向建筑物主体传播，达到隔震的目的；另外一些相关技术通过一种3d周期结构来解决包含垂直（z方向）的隔震问题。 在这些3d结构中，所有三个方向（x，y和z方向）上都具有周期性，在实际应用中，我们需要一种简单、直接、高效的周期结构，能够专注于z方向（垂直地面方向）的隔震效果。


技术实现要素：

4.本技术提供一种新型地震隔震结构，用于隔震。为了描述方便，本技术中使用“建筑物”时，同时包含“构筑物”，除非特别指明。
5.本技术提供的一种新型地震隔震结构采用如下的技术方案：一种新型地震隔震结构，包括周期结构，所述周期结构包括多个质量块，多个所述质量块沿垂直于地面的方向相叠；每个所述质量块均包括外质量体和内质量体，所述内质量体位于外质量体内，且所述内质量体与外质量体之间设置有用于连接内质量体和外质量体的弹性件；相邻的两个所述质量块之间设置有弹性结构，所述弹性结构用于连接相邻的两个质量块；所述质量块和弹性结构在垂直于地面的方向形成一维谐振质量链；所述内质量体的本征频率fm的大小是所述一维谐振质量链的本征频率f0大小的1.2倍以上。
6.优选的，所述内质量体设置有至少一个以上。
7.优选的，所述外质量体包括壳体，所述壳体内设置有填充空间，所述填充空间内设置有填充块，所述内质量体与填充块之间通过弹性件连接。
8.优选的，所述弹性件为线圈弹簧、橡胶或板簧中的一种。
9.优选的，所述弹性结构包括连接弹簧，所述连接弹簧的两端分别与两个质量块连接。
10.优选的，所述弹性结构包括支柱，所述支柱的端部上设置有弹性材料体，所述支柱
通过弹性材料体与质量块相连接。
11.优选的，所述弹性材料体为橡胶、螺旋弹簧或板簧中的一种。
12.优选的，相邻的两个所述质量块相对的面上设置有滑动层。
13.优选的，所述滑动层与质量块之间设置有机械增强层。
附图说明
14.图1是本技术周期结构的一个实施例的示意图；图2是本技术用于展示图1中周期结构的色散关系的示意图；图3是本技术的一个地震的功率图谱；图4是本技术的一个建筑物的结构图；图5是本技术中周期结构的另一个实施例的示意图；图6是本技术周期结构中的一个质量块的一个实施例的示意图；图7是本技术用于展示一个内质量体的实施例的示意图；图8是本技术用于展示一个外质量体的实施例的示意图；图9是本技术周期结构中的一个质量块的另一个实施例的示意图；；图10是本技术中用于展示弹性结构的一个实施例的示意图；图11是本技术中用于展示弹性结构的另一个实施例的示意图；图12是本技术中用于展示弹性结构的其他实施例的示意图；图13是本技术中用于展示弹性结构的其他实施例的示意图；图14是本技术用于展示相邻质量块之间无损耗相对运动的实施例的示意图；图15是本技术用于展示相邻质量块之间无损耗相对运动的实施例的示意图图16是本技术用于展示相邻质量块之间无损耗相对运动的实施例的示意图；图17是本技术用于展示在建筑体上应用一个周期结构的实施例的示意图；图18是本技术用于展示在建筑体上应用一个周期结构的另一个实施例的示意图；图19是本技术用于展示在建筑体上应用多个不同周期结构的实施例的示意图；图20是本技术用于展示在建筑体上应用多个不同周期结构的另一个实施例的示意图。
15.附图标记说明：1、周期结构；11、质量块；111、外质量体；1111、壳体；1112、填充空间；1113、填充块；112、内质量体；113、弹性件；12、弹性结构；121、连接弹簧；122、支柱；123、弹性材料体；1231、螺旋弹簧；124、刚性材料体；13、滑动层；131、机械增强层；2、隔震支座；3、建筑物；31、支撑柱；32、建筑单元；4、第一隔离结构；5、第二隔离结构。
具体实施方式
16.以下结合附图1-20对本技术作进一步详细说明。
17.本领域技术人员会理解以下选定的例子和相应的介绍是为了说明的目的，不应该理解为对本发明的限制。在本发明范围内的其他变化也包含在本发明中。
18.本技术实施例公开一种新型地震隔震结构。
19.本技术公开的隔震结构在垂直于地面的方向具有周期性，而周期性结构在垂直于地面的方向具有色散关系，色散关系包括声学分支和光学分支，光学分支和声学分支定义了带隙（即频率间隙）。频率间隙在可以选择对应于地震功率谱中一个特定功率区域的频率
区。频率间隙也可以选择对应于一个被保护的建筑物3的一个主振动频率。
20.周期结构1包括多个质量块11，多个质量块11沿垂直于地面的方向相叠，每个质量块11均包括外质量体111和位于外质量体111内的内质量体112，内质量体112与外质量体111之间通过弹性件113弹性连接，内质量体112可以被多个质量体所代替，且多个内质量体112相互弹性连接，形成二维或者一维弹性振子体系，而外质量体111可以是单个质量体，也可以是复合质量，比如，外质量体111可以是由第一种材料制成的外壳，里面包含一个或者多个空间，第二种材料可以有选择性地填充这些空间，从而有效地调整共振频率。
21.弹性件113为线圈弹簧、橡胶或板簧中的一种，线圈弹簧相对于橡胶可以更方便地实现所需的弹性系数，也可以更有效地实现防火、耐高温（低温）、抗温度冲击、抗疲劳等性能。
22.从垂直于地面的方向看，理想状况下，相邻质量块11之间最好是无损耗相对运动（比如无摩擦），实际应用中，我们希望尽量降低相邻质量块11之间的摩擦，为此，相邻质量块11之间可以采用滑动层13，这种滑动层13可以是特氟龙以及类似材料。
23.周期结构1可以位于建筑物3的支撑柱31与基础之间，也可以与橡胶隔震垫等其他隔震支座2一起使用，也可以将具有不同主要频率的多个周期结构1放置在建筑物3的不同位置。
24.参照图1，图1示意性地展示了本技术涉及的一种周期结构1，周期结构1包括多个质量块11，这些质量块11之间通过弹性结构12互相弹性连接，每个质量块11包括外质量体111和内质量体112，内质量体112通过弹性件113连接到外质量体111，质量块11、质量块11的外质量体111、内质量体112、外质量体111与外质量体111之间的弹性件113以及质量块11之间的弹性结构12共同构成了具有局域谐振的隔震结构。
25.本领域技术人员将意识到，图1中的结构仅用于演示目的，在本技术范围内的其他变化也是适用的；例如，周期结构1可以具有任何合适数量的质量块11，可以是两个或更多，或者三个或更多，或者四个或更多。每一个质量块11内可以包含一个内质量，也可以包含多个内质量，这将在后面的部分中详细讨论。
26.图1所示的周期结构1的基本原理可以总结如下：在没有阻尼的情况下，周期结构1是保守系统，可用数学方式描述为：
ꢀ…
(公式 1)。
27.其中，mi为内质量体112的质量，me为外质量体111的质量，ki为内部弹性系数，由弹性件113决定，ke为外部弹性系数，由弹性结构12决定，ui为内质量体112的位移，ue为外质量体111的位移，上标j和（j+1）分别是第j个和第（j+1）个质量块11，ek、v
p
和e分别为特定质量块11的动能、势能和总能量。
28.因为整个系统是保守系统，因此可以得到
…
(公式 2)。
29.结合公式1和2可以得到下面的公式 3：
…
(公式 3)。
30.根据bloch理论，方程3的一般解可以写成：
…ꢀ
(公式 4)。
31.其中q是波数，l是图1中周期结构1中质量块11的空间常数（沿垂直于地面的方向的周期）。ω是角频率。bi和be与相位偏移有关。结合公式1至4，可以得到图1中周期结构1的色散关系。如公式 5所示：
…ꢀ
(公式 5)。
32.参照图2，为了说明的目的，图2中示例性展示了一个周期结构1的色散关系；其中，纵轴以[hz]为单位显示频率，横轴以[rad]为单位显示波数，实心正方形表示该色散关系的光学分支；空心圆表示该色散关系的声学分支，光学分支和声学分支定义了带隙（频率间隙），具体来说，带隙从声分支处的频率f
ac
开始，到光分支处的频率f
op
截止，频率f
ac
和f
op
之间的频率范围为带隙，带隙宽度为δf0，并以f0为中心，当一个振动波的频率在带隙[f
ac
，f
op
]范围内时，该振动波将被衰减，无法在周期结构1中传播，该振动波携带的能量也因此无法传递到周期结构1中，这种特性可以用于建筑物3的隔震。
[0033]
而为了达到隔震的目的，图1中的周期结构1可以设计使得其本征频率f0（沿垂直于地面的方向）具有合适的值，针对地震隔离，可以选择f0等于或小于50hz，比如等于或小于30hz,比如等于或小于20hz，比如等于或小于10hz，更优选等于或小于5hz，比如更优选等于或小于3hz，更优选等于或小于1hz；而间隙宽度δf0根据中心频率f0，最好具有较大的值，从而实现对更多地震波频率分量的隔离，比如带隙宽度δf0的值为1hz或更大、1.5hz或更大、2hz或更大。
[0034]
参照图3，在一个隔震实施例中，图1中的周期结构1可以设计使得其带隙对应于地震波能量集中区域所对应的频率区域，图3中示范性地展示了一个地震能量频率谱，地震频率谱中，能量的峰值位于大约7.6[hz]的频率f
p
处。从0[hz]到10[hz]的频率区域具有最大的累积能量，在应用时，我们则可以使隔震结构带隙的中心频率f0（即本征频率）与地震能量谱中峰值频率f
p
对准；间隙宽度δ0与能量谱的频率宽度δf
p
基本对准，采用这种配置，频率在δf
p
内的地震波将被衰减，无法在周期结构1中传播，并且这些频率的地震波所携带的
能量也无法传递到周期结构1中，而把这种隔震结构应用到建筑物3上，这些地震波的能量将无法通过周期结构1传递到建筑物3，从而达到隔震的目的。
[0035]
参照图4，在有些情况下，也可以将图1中的周期结构1的带隙的中心频率设计为与建筑物3的一个主振动频率基本一致，如图4中的建筑物3的一个主振动频率为f
b0
，我们则可以设计图1的隔震结构，使其带隙的中心频率f0基本上等于f
b0
，这种实施方式可以有效隔离使建筑物产生共振的地震波分量，从而减少建筑物3在地震中发生共振的情况，从而保护建筑物3。
[0036]
图1中的周期结构1可以以多种方式实现。
[0037]
如图5所示的一个实施例中，为了简化和演示的目的，图5中的周期结构1只显示了两个质量块11，每个质量块11包括一个内质量体112和一个外质量体111，内质量体112通过弹性件113连接到外质量体111，需要指出的是，虽然本例中提供了两个弹性件113，但可以提供任何适当数量的弹性件113，弹性件113可以是任何合适的弹性体，如线圈弹簧、橡胶、板簧等。
[0038]
两个质量块11通过弹性结构12相连，具体来说，弹性结构12连接到两个质量块11的外质量体111，需要指出的是，在这个实施例中，两个质量块11可以在平行于地面的平面内相对运动，内质量体112也在平行于地面的平面内相对外质量体111运动；弹性结构12定义了两个质量块11在平行于地面的平面内相对运动的外部弹性系数，为此，相邻质量块11之间的弹性结构12可以在平行于地面的方向表现为弹性，而在垂直于地面的方向表现为“非弹性”，比如刚性。而在另外一些实施例中，相邻质量块11之间的弹性结构12可以同时在平行地面的方向和垂直于地面的方向表现出弹性，这一点对于防止目标建筑的倾覆有利。而且通过这种构造，内质量体112可以在每个单独的质量块11内振动，质量块11可以相对于彼此振动以形成谐振，需要指出的是，内质量体112也可以在平行于地面的平面内振动。
[0039]
而为了使任何一个质量块11的内质量体112的本征振动频率fm远离带隙中心频率f0，将内质量体112的本征频率fm设置为一维谐振质量链本征频率的1.2倍或者以上，1.5倍或者以上，1.7倍或者以上，2.5倍以上，3.5倍或者以上，5.5倍以上，10倍以上。在其他实施例中，任何一个质量块11的内质量体112的本征振动频率远离目标建筑物3的主振动频率f
b0
，比如内质量体112的本征振动频率fm是建筑物3的主振动频率f
b0
的1.2倍或者以上，1.5倍或者以上，2.5倍以上，5.5倍以上，10倍以上。
[0040]
参照图6，为了满足频率的要求，内质量体112可以设置有两个及以上，且在内质量体112设置有两个及以上时，相邻的两个内质量体112之间通过弹性件113相连，并形成内质量链，内质量链通过弹性件113与外质量体111连接，且内质量链可以在质量块11内独立地做简谐振动，内质量链可配置为在垂直于地面的方向上振动；同时在一些示例中，质量链也可以形成内质量的二维阵列，使得内质量链还可以在平行与地面的平面中振动。
[0041]
本领域技术人员将意识到，内质量链，或内质量二维阵列，可以根据特定的要求，如频率匹配，拥有任何合适数量的内质量体112。需要指出的是，在一些实施例中，任何一个质量块11的任何一个内质量体112的本征振动频率fm远离带隙的中心频率，比如任何一个内质量体112的本征振动频率fm是带隙的中心频率f0的1.2倍或者以上，1.5倍或者以上，2.5倍以上，5.5倍以上，10倍以上。在一些实施例中，任何一个质量块11的任何一个内质量体112的本征振动频率 fm远离目标建筑物3的主振动频率fb，比如内质量体112的本征振动频
率fm是目标建筑物3的一个主振动频率 fb的1.2倍或者以上，1.5倍或者以上，2.5倍以上，5.5倍以上，10倍以上。
[0042]
如上述公式1到5所述，参考图1中的周期结构1，周期结构1可以是一个保守系统。在实际应用中，当内质量体112或内质量链相对于外质量体111振动时，可能由于运动产生摩擦从而造成能量损失。这个问题可以通过提供滑动层13来减少运动摩擦。滑动层13的典型材料是聚四氟乙烯，该滑动层13在垂直于地面的方向具有所需的承重能力，同时在平行于地面的方向具有极小的摩擦系数，例如0.5或更小，0.1或更小，0.05或更小，0.04或更小。在具体实施中，可以在任何接触而且有相对运动的表面施加这种滑动层13。
[0043]
图7示范性的展示了一个实施例，从图7可以看出，内质量体112具有上下两个主要表面，在使用过程中与外质量体111相互运动产生摩擦。为此，可以在这两个上下主表面上设置滑动层13，从而降低运动摩擦。
[0044]
如图8所示，在其他实施例中，外质量体111的主要内表面也可以设置滑动层13，外质量体111有两个主要的内表面，在操作过程中可能引起摩擦（比如和内质量体112），这两个内表面可设置滑动层13。
[0045]
在上述的公式5中可以看出，色散关系以及带隙取决于内质量体112的质量mi和外质量体111的质量me以及隔震系统中的其他参数，比如内部弹性系数和外部弹性系数。为了实现外质量体111和内质量体112在实际应用中的匹配，从而实现所需的带隙及中心频率，外质量体111可以以各种合适的几何形状来实现，比如包含内部空间的容器。
[0046]
如图9所示的一个实施例中，质量块11包括外质量体111、内质量体112和用于连接外质量体111和内质量体112的弹性件113，外质量体111包括壳体1111，壳体1111内设置有两个填充空间1112，填充空间1112设置有填充块1113，填充块1113可以选用任何合适的材料从而实现所需的质量特性，而内质量体112则位于两侧的填充块1113之间，并通过弹性件113与填充块1113连接，外质量体111可以由钢材组成，比如q235钢材，而填充块1113选用混凝土、岩石、钢材或任何合适的材料。值得注意的是，内质量体112可以配置为多个内质量体112，如上所述，内质量体112可以排列成一维或二维谐振的阵列。
[0047]
相邻的两个质量块11之间通过弹性结构12连接，使得质量块11在垂直于地面的方向上表现为简谐振子系统，弹性结构12可以是任何合适的形式。
[0048]
如图10所示的一个实施例中，相邻的两个质量块11通过连接弹簧121连接，连接弹簧121使质量块11在垂直于地面的方向形成周期结构1，并使质量块11在平行于地面的平面内无损移动。
[0049]
如图11所示的另一个实施例中，相邻的两个质量块11通过两个支柱122连接，而支柱122通过弹性材料体123连接到质量块11上，依此定义了弹簧系数，弹性材料可以是橡胶，橡胶的典型杨氏模量为1.2e6pa。
[0050]
参照图12，在其他实施例中，支柱122的端部可以通过一侧的弹性材料体123和另一侧的刚性材料体124连接到质量块11上。
[0051]
参照图13，在其他实施例中，可以在系统中加入螺旋弹簧1231，如图10，提供螺旋弹簧1231支柱122连接到质量块11上，且使用螺旋弹簧1231可以有效地实现所需的弹性连接，同时，螺旋弹簧1231可以有效地抵抗高温、低温、以及温度冲击，火灾、和材料疲劳等。在这里，螺旋弹簧1231也可以换成其它弹簧，尤其是金属弹簧，比如板簧。
[0052]
如上所述，周期结构1中需要在平行于地面的平面上近似无摩擦地相对运动，或者尽量减少在平行于地面的方向上的质量块11相对运动时的摩擦，这可以通过使用滑动层13来促进。
[0053]
如图14所示的一个实施例中，在相邻的质量块11之间设置了滑动层13，滑动层13在相邻质量块11之间提供了摩擦极小的运动，滑动层13可以选用特氟龙或摩擦系数为1或更少，0.5或更小，0.1或更小，0.05或更小，0.04或更小的材料。
[0054]
参照图15，除了在质量块11之间放置滑动层13外，滑动层13也可以是涂覆或附着在质量块11上的。
[0055]
在一些应用中，可能需要使用多个质量块11来保护建筑物3。
[0056]
参照图16，为了能够在保持竖直负载能力的同时使质量块11相对运动，在质量块11与滑动层13之间设置了机械增强层131，机械增强层131可以选用钢或其他材料。
[0057]
周期结构1可以通过多种方式实现隔震。
[0058]
参照图17，作为一个示例，建筑物3具有两个支撑柱31，两个支撑柱31分别固定在两个周期结构1上，而两个周期结构1进一步固定在地面上，其中两个周期结构1具有对应于特定地震频率区带隙的一个示例中，在发生地震时，具有特定频率区中的地震波将显著衰减，携带的地震能量被隔离在建筑物3之外，从而保护建筑物3；在另一个例子中，周期结构1具有对应于建筑物3主振动频率的带隙，在发生地震时，可以有效避免建筑物3的共振。
[0059]
参照图18，周期结构1可以与其他隔震装置2一起使用，例如橡胶支座，将橡胶支座放置在周期结构1的顶部并固定在周期结构1上，将建筑物3的支撑柱31防止在橡胶支座的顶部，而周期结构1固定在地面上，橡胶支座与周期结构1的结合，进一步提高了建筑物3的隔震性能，而周期结构1可以被配置成具有与能量功率谱或建筑物3的主振动频率相对应的带隙，这里将不再重复。
[0060]
参照图19，在一些应用中，一个建筑物3可以包含多个建筑单元32，每个单元对应于不同的主振动频率，为此，我们可以提供多个不同带隙的周期结构1，在图19中，建筑物3包括垂直堆叠的多个建筑单元32，每个建筑单元32有一个不同于其他建筑单元32的主振动频率，因此，我们提供了多个周期结构1，每个周期结构1配置为与每个建筑单元32的主振动频率相对应的带隙，且每个建筑单元32的支撑柱31分别位于对应的周期结构1上。
[0061]
参照图20，本技术的周期结构1可以在建筑物3的地基与基础之间设置使用，周期结构1可能具有相同或不同的带隙特性，图18中设置有第一隔离结构4和第二隔离结构5，第一隔离结构4和第二隔离结构5均由周期结构1组成，第一隔离结构4和第二隔离结构5放置在建筑物3的地基与底部基础之间，可以在建筑物3和周期结构1之间提供荷载分布层，其中，第一隔离结构4可以具有与地震能量功率谱对应的带隙，以便从建筑物3中排除地震的主要能量，第二隔离结构5可以具有与建筑物3主振动频率对应的带隙，以避免地震引起的共振，需要注意的是，图20仅用于演示目的，图20的其他变体也适用，例如，相同的周期结构1可以放置在相邻结构中，在一些应用中，基本上具有相同带隙的周期结构1可以用于整个基础下部。
[0062]
本领域技术人员能够理解，以上的讨论的目的是为了介绍，上面所举的例子是许多可能的例子中的一部份，其他的变型也是可行的。比如，以上的一些实施例通过和建筑物的结合来进行描述。实际上，本发明也适用于构筑物或者类似的人工搭建的物体或者结构。
在一些实施例中，本发明涉及的结构可以作为建筑物、或者构筑物的一个构件，或者一个构件的一部分。在以上的描述中，本发明的一些实施例和支撑柱一起使用。本发明的一些实施例也可以用于建筑物、构筑物等的墙、或者其他竖向结构构件与基础之间，或者基础与地基之间，或者竖向构件与水平构件之间。
[0063]
本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是，结合该实施例描述的具体特性、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书各处出现的这种短语不一定是指同一个实施例。另外，当结合任何实施例描述具体特性、结构或特征时，这意味着本领域技术人员能够该特性、结构或特征应用于其他的实施例中。而且，为了易于理解，一些方法步骤被描述为独立的步骤；但是，这些独立描述的步骤不应被认为必须按照一定的顺序执行。也就是说，一些步骤同时也可以按照另外的顺序执行。此外，示例性的示图显示了根据本发明实施例的各种方法。这里的这种示例性方法实施例是利用相应的装置实施例来描述的，并可以应用于这些相应的装置实施例。但是，这些方法实施例不是为了限制本发明。
[0064]
虽然这里展示和说明了本发明的几个实施例，但本领域技术人员能理解，可以对这些实施例进行改变而不脱离本发明的原则和精神。因此，以上的各实施例从任何意义上讲都应被认为是说明性的而不是对这里所描述的本发明的限制。本发明的范围由所附的权利要求书而不是上述说明书限定。在说明书的等价描述的含义和范围内的所有变化都包含在本发明的范围中。在本说明书中使用的术语“优选”不是排它的，其含义是“优选为但并不限于”。权利要求书中的术语，在与说明书所描述的本发明的一般概念一致的情况下，应按照它们的最宽范围解释。例如，术语“连接”和“耦合”（及其派生词汇）意味着直接和间接的连接/耦合，作为另一个例子，“具有”和“包括”及其派生词和变异词或词组都和“包含”具有相同的意思（即，都是“开放式”术语）
–
只有词组“由
…
构成”和“实质上由
…
构成”应被认为是“关闭式”的，除非词组“意味着”和相关的功能出现在某项权利要求中，并且该权利要求没有描述充分的结构来执行该功能。